惠更斯-菲涅耳原理的定量化

介绍了在旧的波动理论框架中把惠更斯-菲涅耳原理发展成定量原理的方法,并进一步把此原理表述成与瑞 利-索末菲衍射公式几乎一样的形式,并把此原理写成适合于描述粒子的几率幅的形式.

定量惠更斯——菲涅耳原理

在保留次波假说和次波相干叠加原理的前提下,把惠更斯—菲涅耳原理发展成为定量的原理,并给出这个原理的适用条件。指出次波振动源的位相比同一位置的光振动的位相超前π/2。用此原理推出了菲涅耳圆孔和圆屏衍射现象中轴线上的光振动公式,给出了使这种衍射现象清晰明显的条件。圆满地解释了夫琅和费圆孔衍射。

高斯-贝塞耳光束在湍流大气中的传输特性

根据广义惠更斯-菲涅耳原理,推导高斯-贝塞耳光束在湍流大气中传输时光强分布变化规律的理论公式.研究高斯-贝塞耳光束在湍流大气中的传输特性,讨论湍流扰动强弱及拓扑荷数大小对其传输特性的影响.研究结果表明,湍流扰动强弱及拓扑荷数的大小都会影响光束的传输特性.当拓扑荷数相同时,湍流扰动越强,则光强分布变化越快;当湍流扰动相同时,光强分布变化速度随拓扑荷数的增大而减小.

受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布

为了研究受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布,采用扩展惠更斯-菲涅耳原理方法进行了理论分析,得到了受发射圆孔限制的拉盖尔-高斯光束在大气湍流中传输时轴上光强的表达式。并运用MAPLE模拟,取得了不同湍流强度、波长和发射圆孔孔径下轴上光强的分布理论数据。结果表明,拉盖尔-高斯光束在不同阶数、湍流强度、波长和发射圆孔孔径下,真空和湍流较弱时,轴上光强在近场发生明显振荡,达到最大值后,强度明显开始降低,湍流较强时,传输很近距离强度就迅速衰减,并与其在真空中的传输特性进行了比较。这一结果对研究拉盖尔一高斯光束是有帮助的。

厄米-余弦-高斯光束的传输特性

从广义惠更斯 菲涅耳衍射积分出发对厄米 余弦 高斯光束的传输特性作了研究,给出了厄米 余弦 高斯光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式,以厄米 余弦 高斯光束通过自由空间和薄透镜系统为例做了数值计算和分析,结果表明厄米 余弦 高斯光束在自由空间传输时不能保持其形状不变。厄米 双曲余弦 高斯光束、余弦 高斯光束、厄米 高斯光束的传输公式可作为厄米 余弦 高斯光束的特例得出。

像散厄米-高斯光束的对称化和相关问题的研究

从比较两种对称化光学系统出发 ,使用三柱透镜对称化光学系统对像散厄米 -高斯光束作了详细分析 ,研究表明 :对称化光学系统的作用是将像散光束变换为对称化实宗量光束 ;并消去 x- y耦合项。这样 ,当光束继续在自由空间传输时 ,能保持其形状不变。然而 ,有 x- y耦合项的对称化复光束却不具有这种传输不变性。

贝塞尔-高斯光束经球差透镜的聚焦特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分推导了一种涡漩光束——贝塞尔-高斯光束经球差透镜聚焦后的光场表达式,并利用数值计算分析了球差系数对聚焦光束光强剖面分布的影响。研究表明,通过改变球差系数,可以改变零阶贝塞尔-高斯光束轴上光强最大值点的位置,球差的存在使轴上光强最大值减小。零阶贝塞尔-高斯光束经球差透镜聚焦后不能保持其传输不变性,在几何焦面上光强剖面类似于高斯形分布,而实际焦点所在面上的分布则仍具有零阶贝塞尔函数的特征。对于一阶贝塞尔—高斯光束,球差的存在会改变其横向光强分布。

偏心厄米-高斯光束通过失调一阶光学系统的传输特性

使用广义惠更斯—菲涅尔衍射积分 ,增广矩阵和 Wigner分布函数方法 ,研究了偏心厄米-高斯光束通过失调非对称一阶光学系统的传输特性 ,证明了偏心厄米 -高斯光束通过一阶光学系统时保持其封闭性 ,光束的二阶矩矩阵按通常的规律变换 ,一阶矩矩阵遵循几何光线的变换规律 。

双曲正弦高斯光束在梯度折射介质中的传输

为了研究双曲正弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性,利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法推导了光束强度分布解析表达式,据此结合空间二阶矩定义得到了束腰宽度和位置的解析表达式,并对光束强度分布、光斑尺寸、束腰宽度及其位置进行了数值计算和分析。结果表明,轴向光强分布呈周期性变化,横向光场分布受梯度折射系数和光束参量影响,通过对这些参量的适当调整,可以改变光斑尺寸和束腰位置。

双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数α、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量β、离心参量δ)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随α的增大而先减小后增大,且在α=3.11处存在zt极小值;zt随l0和δ的增大而增大,随L0(仅当3.6<α<4时)和β的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。

有限能量Olver-Gaussian光束通过电光晶体的光强分布特性

基于广义惠更斯-菲涅耳积分公式,研究了傍轴近似下有限能量Olver-Gaussian光束经过铌酸锂电光晶体的光强分布特性。得出了这类光束经单轴晶体垂直于光轴的电场和光强解析式,基于此,探究了一阶Olver光束在电光晶体不同横截面上的光强分布和光波侧面传输光强图,并得出了外加电场和光波中心位置及中心光斑相对光强变化的定量关系;对传统三类单轴晶体的光波演变特性也进行了分析。

部分相干光在大气湍流中的到达角起伏

研究了部分相干高斯谢尔光束在大气湍流中的到达角起伏.主要采用湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型及广义惠更斯-菲涅尔原理和交叉谱密度函数推导出了部分相干光在大气湍流中的到达角起伏表达式.对比分析了湍流内外尺度、湍流强度、传输距离、源相干参数以及波长等参数对部分相干光在大气湍流水平路径上传输时的到达角起伏的影响.结果表明:随着传输距离的增加,到达角起伏越来越小;随着大气湍流内外尺度和源相干参数的增加,到达角起伏也越来越大;与部分相干光相比,完全相干光的到达角起伏受湍流影响很小;随着波长和湍流强度的减小,到达角起伏越来越小.

大气湍流对高斯-谢尔模型光束孔径平滑因子的影响

大气湍流严重影响了无线激光通信系统的性能，而孔径平滑效应能有效抑制湍流引起的光强闪烁效应。采用包含内外尺度影响的修正vonKarman湍流谱模型，并根据Tatarskii给出的孔径平滑因子定义式和波场交叉谱密度函数的互相干函数近似原理，得到了高斯-谢尔模型（GSM）光束的闪烁孔径平滑因子。讨论了光源相干参量、湍流强度及湍流内外尺度对高斯-谢尔模光束闪烁孔径平滑效应的影响。结果表明：随着湍流的增强，部分相干光抑制湍流效应的作用逐渐减弱，并且湍流越强孔径平滑因子达到饱和的速度越快；湍流外尺度对孔径平滑因子的作用可忽略，内尺度对孔径平滑因子的影响显著，在分析光强闪烁问题时内尺度应作为重要影响参数之一。

阵列艾里光束通过梯度折射率介质的光强演变特性

利用光学传递矩阵和广义惠更斯-菲涅耳积分衍射公式,研究了阵列艾里光束在梯度折射率介质中的演化规律。首先,导出了傍轴近似下,空间域内艾里和阵列艾里光束通过光学系统的传输方程。然后,分析了入射阵列艾里光束的二维光强随指数截断因子和光波束腰半径的变化规律。在此基础上,讨论了阵列艾里光束在梯度折射率介质部分横截面上的光强特征和光波传输的周期性特点,并与单艾里光束的传输规律进行了对比。因为大气的随机抖动和渐变折射率光纤都可以抽象为梯度折射率模型,所以相关结论对阵列光束的传输与通信有一定的理论意义。

PCFT光束阵列在海洋湍流中的传输特性

为了研究部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输特性,基于拓展惠更斯-菲涅耳原理和魏格纳分布函数,结合海洋湍流的空间功率谱函数,理论推导了部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输因子、有效曲率半径、瑞利尺寸的解析表达式,数值计算并讨论了它们与光束的相干长度、海水温度与盐度变化、动能耗散率、温度方差耗散率等参量的关系。结果表明,在相同条件下,当传输距离超过400m时,相对于部分相干高斯光束、部分相干平顶光束和部分相干高斯光束阵列,部分相干平顶光束阵列受海洋湍流的影响更小,传输特性更为稳定。此结果对选择合适的光束在海洋湍流传输方面具有一定的参考价值。

特殊关联结构部分相干光束大气传输研究进展

相干性是激光束的一个重要特性,具有低空间相干性的激光束称为部分相干光束;关联结构(函数)是部分相干光束的一个特有参量,通过调控相干性可构建具有特殊关联结构的部分相干光束。在湍流大气中,特殊关联结构部分相干光束不仅展现出诸多奇特传输性质,而且能够进一步有效抑制大气湍流引起的光强及相干度分布退化、光斑漂移和光强闪烁等各种湍流负面效应,在自由空间光通信、激光雷达和激光遥感等方面有重要应用前景。近年来特殊关联结构部分相干光束大气传输研究受到越来越多学者的关注。回顾了特殊关联结构部分相干光束大气传输研究方法和发展历程,举例展示了厄米系列特殊关联结构部分相干光束的大气传输研究成果。

圆形周期介质内艾里光束的传输特性

为了研究无衍射光波在特异材质内的传输特性,实现更优良的光波通信,将传统右手材料和双负折射率材料相结合,提出了一种轴向阶跃变化周期圆形介质结构。基于广义惠更斯-菲涅耳光学积分公式,结合光学传输矩阵,分析了艾里光束在这种传输媒质中出射表面光强分布特性和侧面传输光强分布图;分析了负折射率参量对这类光波演变的影响及其补偿机理;分析了实现输出光波完美还原时,负折射率大小同介质单元长度的定量关系。结果表明,当介质孔径逐渐减小时,有限艾里光束衍射效应越来越严重,并且出射光强外形轮廓逐渐从艾里光束过渡到高斯光束;当双负折射率材料的折射率n_l的绝对值大于右手材料的折射率n_r时,出射表面实现光波完美还原的双负折射率材料单元层越长,反之则越短。该研究对分析周期或准周期轴向阶跃变化的圆形平板介质光波通信是有帮助的。

高能激光准直传输远场斯特雷尔比与数值验证

利用扩展惠更斯-菲涅耳原理对高能激光在大气中的传输进行了分析,获得了高能激光准直传输轴上及峰值斯特雷尔比的积分表达式,并使用激光大气传输四维仿真程序对该表达式的适用范围进行了分析及数值模拟验证。结果表明,积分表达式可以很好地适用于无自适应光学系统补偿时的高能激光湍流热晕传输问题,可以用于自适应光学系统补偿时弱热晕条件下的湍流热晕角非等晕问题和弱热晕及中等热晕条件下的湍流热晕聚焦非等晕问题。

修正贝塞尔高斯谢尔光束在湍流中的演变特性

研究了修正贝塞尔高斯谢尔(MBGS)光束在柯尔莫哥诺夫湍流模型下的演变特性,推导了MBGS光束在源平面场的表达式,在此基础上利用广义惠更斯-菲涅尔积分原理获得任意阶修正贝塞尔高斯谢尔光束在经过湍流大气后的平均光强解析表达式.数值计算和分析表明:相关宽度对MBGS光束在湍流大气中的演变特性具有重要影响,增大相关宽度减缓了修正贝塞尔高斯谢尔光束演变为高斯光束的进程,增大了光束经过湍流大气后接收平面的光强.相比于高阶MBGS光束,低阶MBGS光束在湍流大气中传播后能够获得更大的归一化平均光强,但在传播过程中比高阶MBGS光束更早演变为高斯光束.MBGS光束在湍流大气中传播时,相关宽度优化选取后的低阶、短波长MBGS光束具备更强的抗干扰性.

聚焦部分相干平顶涡旋光束对瑞利粒子的捕获

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和瑞利散射理论,推导了聚焦部分相干平顶涡旋(partially coherent flat-topped vortex,PCFTV)光束作用在瑞利微粒上辐射力的表达式,主要研究聚焦PCFTV光束对不同折射率的两种粒子的捕获情况。研究结果表明,聚焦PCFTV光束可以在焦点处捕获高折射率和低折射率的粒子。随着光束阶数的增大以及相关长度的减小,光束对微粒的捕获能力增强。所得结果对PCFTV光束应用于光学操控具有一定的意义。